JP2015514018A - 超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置および方法 - Google Patents

Abstract

脆性材料の切断に用いられる工具としてホイールの先端部に複数個の微小切欠が形成されているスクライビングホイールを製造する装置および方法であって、超高速レーザを用いて複数個の微小切欠を形成することで非接触式工程を実現する、超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置および方法を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、超高速レーザを用いたホイールの先端部(edge line portion)の微小切欠の製造装置および方法に関する。より詳細には、本発明は、脆性材料を切断するために脆性材料上にスクラッチを形成するツールであるスクライビングホイールが、脆性材料の表面に、より効率よくスクラッチを形成してスクライビングのための垂直クラック（crack）をより容易に発生させるようにする、超高速レーザを用いてダイヤモンドまたは超硬合金からなるホイールの先端部に微小切欠（notch）を製造する装置および方法に関する。

ＬＣＤ、ＴＦＴ‐ＬＣＤ、ＯＬＥＤをベースとするＦＰＤ（Flat Panel Display）、タッチパネル（touch panel）などを含む平面素子に対する需要が増加しつつあり、これに伴い、生産性向上のために素子自体を生産する際に大型化および軽薄化の傾向が強まっている。そのため、これらを用いた最終製品（end‐product）を生産するためには、既に生産された大型の平面素子を目的に応じて切断する過程が必須である。それだけでなく、通常、半導体生産工程において、ウェーハ上に集積回路を形成した後、スクライブ（scribe）工程によりそれぞれのダイに分離する過程が必ず行われる。

スクライブ工程とは、素子基板、ウェーハなどの板状対象物にスクライビング線を形成し、このスクライビング線を中心として両側に力を加えてスクライビング線に沿って折れるようにすることで切断を行う工程である。通常、ウェーハは、ガラスなどの脆性材料からなっており、脆性材料は、外部の力が加えられたときにクラックの伝播が非常に迅速且つ容易に行われる特性を有するため、脆性材料の切断においてスクライブ工程は非常に有効に用いられる。特に、かかる脆性材料の場合、切断工具を用いて対象物全体を切断することに比べて、若干のクラックのみ形成した後、他はスクライビングを用いて切断することがはるかに容易であるという利点をも有する。かかるスクライビング装置または方法については、韓国特許公開第２０１１‐００７９９７７号（「チップ前処理装置を含むスクライビング装置およびスクライビング方法」、２０１１．０７．１２）、日本特許公開第２０１０‐１９４７８４号（「スクライブ装置およびスクライブ方法」、２０１０．０９．０９）、韓国特許公開第２０１０‐００５６２１６号（「スクライビング装置およびこれを用いたスクライビング方法」、２０１０．０５．２７）などに詳細に開示されている。

しかし、このようにスクライブ工程を用いる場合、切断工具で完全に切断するのではないため、切断方向を自在に制御することが困難であり、そのため、スクライブ工程中に不良が生じる恐れがある。スクライビングの際に切断方向は、つまりクラックの伝播方向となり、クラックが垂直方向に正確に形成されるようにすることで、かかる問題をある程度解消することができる。したがって、脆性材料からなる対象物上にスクライビング線をより正確で効率よく形成するための様々な技術が研究されてきた。

現在、対象物に比べて高い強度を有するスクライビングホイールを用いてスクライビング線を形成する方法が一般的に用いられている。国際特許公開第ＷＯ０９／０９９１３０号（「POLYCRYSTALLINE DIAMOND」，２００９．０８．１３）に、スクライビングホイールを製造するためにダイヤモンド多結晶体材料を用いることができると開示されているように、かかるスクライビングホイールは、通常、多結晶ダイヤモンドや超硬合金などの材質からなる。

かかるスクライビングホイール自体に対してもまた、スクライビング線をより容易に形成するために、その形状や製造方法に関する様々な研究が行われている。スクライビングホイールの形状や製造方法の改善に関する技術として、韓国特許公開第２０１１‐０１２９０５０号（「スクライビングホイールおよびその製造方法」、２０１１．１２．０１）、米国特許登録第７９７５５８９号（「Scribing wheel for brittle material and manufacturing method for same，as well as scribing method，scribing apparatus and scribing tool using the same」，２０１１．０７．１２）などが開示されている。簡単に説明すると、スクライビングホイールは、同じ円錐台状の二つの広い底面側が接している形状を有するが、この二つの円錐台が接している先端部に複数個の微小切欠が形成されて丸鋸刃のような形態になる。このような微小切欠の大きさ、形状、配置形態などが、スクライビングの質に直接影響を及ぼすため、前記で例示した先行文献などでも、このような部分に着目して研究が行われている。

このようにスクライビングホイールの形状をどのように形成するかに関する研究が様々に開示されている一方、スクライビングホイールに微小切欠を形成する方法自体については、単に（スクライビングホイールより強い素材からなる工具を用いた）研削加工などの接触式方法を用いる程度である。しかし、上述のように、かかるスクライビングホイールは、多結晶ダイヤモンドや超硬合金などの非常に高い強度を有する材質からなるため、研削加工などを行う際に（スクライビングホイールより強い素材からなる工具を用いても）工具の消耗が速いなどの問題が生じる恐れが高い。また、このような接触式工程は、熱損傷を起こすため、所望の形態の微小切欠を正確且つ均一に形成するにも困難があるという問題がある。

そのほかにも、集束イオンビーム（ＦＩＢ、Focused Ion Beam）のような高エネルギー荷電粒子を用いて微小切欠を形成する工程も導入されている。しかし、この場合には、製造工程環境として高真空を必須とし、これはまた工程コスト上昇および工程複雑化などの問題を避けることができない。

また、このような従来の様々な工程の場合、その特性上、同時に複数個のホイールの先端部に切欠を製造することができないという技術的な制限点がある。

韓国特許公開第２０１１‐００７９９７７号（「チップ前処理装置を含むスクライビング装置およびスクライビング方法」、２０１１．０７．１２） 日本特許公開第２０１０‐１９４７８４号（「スクライブ装置およびスクライブ方法」、２０１０．０９．０９） 韓国特許公開第２０１０‐００５６２１６号（「スクライビング装置およびこれを用いたスクライビング方法」、２０１０．０５．２７） 国際特許公開第ＷＯ０９／０９９１３０号（「POLYCRYSTALLINE DIAMOND」，２００９．０８．１３） 韓国特許公開第２０１１‐０１２９０５０号（「スクライビングホイールおよびその製造方法」、２０１１．１２．０１） 米国特許登録第７９７５５８９号（「Scribing wheel for brittle material and manufacturing method for same，as well as scribing method，scribing apparatus and scribing tool using the same」，２０１１．０７．１２）

したがって、本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、脆性材料の切断に用いられる工具としてホイールの先端部に複数個の微小切欠が形成されているスクライビングホイールを製造する装置および方法として、レーザを用いて切欠を形成することで非接触式工程を実現する、超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置および方法を提供することにある。

上述のような目的を達成するための本発明の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置は、ホイール５００の先端部５１０に複数個の微小切欠５２０を製造する装置１０００であって、超高速レーザを照射するレーザ照射部１００と、前記レーザ照射部１００で照射されるレーザビームの光路上に前記ホイール５００の先端部５１０が配置されるように、前記ホイール５００を水平移動、垂直移動または回転移動させるホイール移動部２００と、を含み、前記レーザ照射部１００で照射されるレーザビームによって前記ホイール５００の先端部５１０に前記微小切欠５２０が形成されることを特徴とする。

この際、前記レーザ照射部１００は、レーザ光源１１０と、前記レーザ光源１１０で照射されるレーザビームを前記ホイール５００の先端部５１０に集束させる対物レンズ１２０と、前記レーザ光源１１０と前記対物レンズ１２０との間の光路上に配置され、前記レーザ光源１１０で照射されるレーザビームの波長範囲の光を全反射し、それ以外の波長範囲の光を透過させるダイクロイックミラー１３０（dichroic mirror）と、前記ダイクロイックミラー１３０を透過した光を用いて前記ホイール５００の先端部５１０を撮影する撮影部１４０と、を含むことを特徴とする。

また、この際、前記レーザ照射部１００は、フェムト秒またはピコ秒のパルス幅を有するレーザ光を照射することが好ましい。

また、前記ホイール移動部２００は、ステージ２１０と、前記ホイール５００の中心孔５３０に嵌合する回転軸２２０と、前記ステージ２１０上に配置され、前記回転軸２２０の一側先端に設けられて前記回転軸２２０を回転させることで前記ホイール５００を回転移動させるステップモータ２３０と、前記ステージ２１０と結合し、前記回転軸２２０の他側先端に設けられて前記ホイール５００を水平移動または垂直移動させるトランスレータ２４０（translator）と、を含むことを特徴とする。

この際、前記ホイール移動部２００は、前記ステップモータ２３０および前記回転軸２２０の連結部に設けられ、前記ステップモータ２３０の軸の歳差運動を含むノイズ動きの伝達を除去するカプラ２５０をさらに含むことが好ましい。

また、前記ホイール移動部２００は、前記ステージ２１０上に配置され、前記回転軸２２０を貫通させつつ前記回転軸２２０を支持し、前記回転軸２２０が貫通し支持される部分に軸受２６５が設けられた少なくとも一つ以上のサポータ２６０をさらに含むことが好ましい。

また、前記ホイール移動部２００は、前記レーザ照射部１００で照射されるレーザビームの光路の延長線と前記ホイール５００のレーザビームが照射される地点での接線とが鋭角または直角をなすように、前記ホイール５００を水平移動させることを特徴とする。

また、前記ホイール移動部２００は、前記撮影部１４０によって撮影されたイメージまたは別に設けられた高さ測定センサ２７０によって測定された高さ値を用いて、前記ホイール５００を垂直移動させることを特徴とする。

また、前記微小切欠の製造装置１０００は、複数個の前記ホイール５００が同軸上に積層配列されてなる積層体に複数個の前記微小切欠５２０を形成することを特徴とする。

この際、前記微小切欠の製造装置１０００は、複数個の前記ホイール５００が同軸上に積層配列されてなる積層体と、前記積層体の両側先端に設けられる一対の支持板３１０と、前記ホイール５００の間に充填される充填材３２０と、を含むホイールカートリッジ３００をさらに含み、前記ホイールカートリッジ３００に複数個の前記微小切欠５２０を形成することを特徴とする。

この際、前記充填材３２０は、前記ホイール５００に物理的および化学的損傷を与えない溶媒に可溶な材料であることを特徴とする。

また、本発明の製造方法は、ホイール５００の先端部５１０に複数個の微小切欠５２０を製造する方法であって、前記ホイール５００の先端部５１０にレーザを照射して複数個の微小切欠５２０を形成するレーザ照射段階と、前記ホイール５００を所定の角度で回転させるホイール回転段階と、前記レーザ照射段階および前記ホイール回転段階を順に繰り返して行う段階と、を含むことを特徴とする。

この際、前記レーザは、フェムト秒またはピコ秒のパルス幅を有することを特徴とする。

また、前記レーザ照射段階は、前記レーザが前記ホイール５００の軸方向に相対移動しながら少なくとも１回以上照射される工程からなることを特徴とする。

この際、前記微小切欠の製造方法は、前記微小切欠５２０の幅、前記微小切欠５２０の深さ、レーザのエネルギー、レーザのパルス繰り返し数、レーザの相対移動速度、レーザの照射繰り返し回数が、前記ホイール５００に応じて決定されることを特徴とする。

また、前記微小切欠の製造方法は、複数個の前記ホイール５００が同軸上に積層配列されてなる積層体に複数個の前記微小切欠５２０を形成することを特徴とする。

本発明によれば、スクライビングホイールを製造するにあたり、ホイールの先端部の微小切欠を超高速レーザを用いた非接触式工程により形成することで、従来、研削加工を用いた接触式工程により微小切欠を形成していたことに比べて、はるかに正確且つ容易に微小切欠を形成することができる。

また、本発明によれば、スクライビングホイールを製造する際に、一つずつ製造することなく、複数個のスクライビングホイールを集めてカートリッジ状にし、同時に微小切欠を形成する作業を行うことで、従来に比べて生産性が著しく向上することができる。さらに、ホイールカートリッジを製造する際に、ホイールの先端と先端との間を高分子のような充填材で塗布または充填することで、レーザ工程の際に生じうるホイールの先端部以外の部分に対する部分的なアブレーションを防止することができ、あるいは塗布の程度を変えることでアブレーションの程度を制御して、製造された切欠の３次元的な構造を人為的に制御することができる。

さらに、本発明のスクライビングホイールの製造方法は、上述のように、超高速レーザを用いた非接触式工程からなることで、従来、真空環境などの特殊な環境を形成する必要があったこととは異なり、工程環境に対する制限がなく、工程をはるかに容易且つ経済的に実現することができる。

ホイールの先端部に微小切欠が均一に製造されている超硬合金または多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ、polycrystalline diamond）ホイールの模式図である。 超硬合金または多結晶ダイヤモンドホイールの先端部上に微小切欠を製造するための本発明の超高速レーザ工程装置の概路図である。 超硬合金または多結晶ダイヤモンドホイールの先端部に微小切欠を製造する装置の模式図である。 本発明のホイールカートリッジの典型的な模式図である。 本発明による切欠の中心軸からの角度制御方法の原理を示す図である。

以下、上述のような構成を有する本発明による超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置および方法について添付の図面を参照して詳細に説明する。

上述のように、ディスプレイや半導体製造工程における基板を切断するためには、スクライビング線を形成してから折ることで切断する方式が用いられており、この切断工程における不良発生率を低減するためには、スクライビング線をよく形成することが重要であるという点はよく知られている。また、このために、スクライビング線をよく形成するためにどのようにスクライビングホイールをよく製造するかに関する様々な観点での研究が行われている。

図１は本発明により製造しようとするスクライビングホイールの模式図である。図１に示すように、スクライビングホイール５００は、ホイール５００の先端部５１０に微小切欠５２０が放射状に均一に形成されている形態を有しており、上述のように、通常、その材質は、超硬合金または多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ、polycrystalline diamond）のように非常に強度の高いものである。より詳細には、前記ホイール５００の先端部５１０は、特定の角度で両方向に均一に刃を立てた形状を有しており、前記ホイール５００の中央には高い精度および所定の直径を有する中心孔５３０が形成されている。前記中心孔５３０は、前記ホイール５００を用いて脆性材料の表面にスクラッチ（すなわち、スクライビング線）を形成する際に工程軸を挿入して用いるために形成されているものである。この際、使用上の目的に応じて、前記切欠５２０の幅は、１ミクロン〜２０ミクロン程度の範囲で変えてもよく、深さは、０．３ミクロン〜１０ミクロン程度の範囲で変えてもよい。また、前記ホイール５００の先端部５１０に製造される前記切欠５２０の個数もまた、１個〜１，０８０個程度の範囲でその使用材料および目的に応じて様々に変えてもよい。

図２はホイールの先端部上に微小切欠を製造するための本発明の超高速レーザ工程装置の概路図であり、図３は本発明の装置の模式図である。

本発明の微小切欠の製造装置１０００は、基本的にレーザ照射部１００およびホイール移動部２００の二つの部分を含む。上述のように、本発明の微小切欠の製造装置１０００は、従来、スクライビングホイールを製造する際に研削加工などの熱変形を伴う接触式工程を用いることとは異なり、レーザを用いた非接触式工程とともに、超高速レーザを用いて熱変形を最小化する非熱工程を実現している。簡単に説明すると、本発明において、前記レーザ照射部１００では超高速レーザを照射し、前記ホイール移動部２００は、前記レーザ照射部１００で照射されるレーザビームの光路上に前記ホイール５００の先端部５１０が配置されるように、前記ホイール５００を水平移動、垂直移動または回転移動させるように形成されて、前記レーザ照射部１００で照射されるレーザビームにより前記ホイール５００の先端部１０に前記切欠５２０が形成されるようにする。以下、各部についてより詳細に説明する。

前記レーザ照射部１００は、図３に示すように、レーザ光源１１０と、対物レンズ１２０と、ダイクロイックミラー１３０（dichroic mirror）と、撮影部１４０と、を含むことができる。

前記レーザ光源１１０は、上述のように、非接触式工程および非熱工程を実現するために、熱変形を最小化する超高速レーザであることが好ましい。より具体的には、前記レーザ照射部１００は、フェムト秒またはピコ秒のパルス幅を有するレーザ光を照射することが好ましい。

前記対物レンズ１２０は、前記レーザ光源１１０で照射されるレーザビームを前記ホイール５００の先端部５１０に集束させる役割をする。このような光集束の役割をする光学装置は、単一個のレンズからなる形態、複数個のレンズからなる形態、レンズとともに別の他の光学部品をさらに含む形態など、様々な形態が開示されている。すなわち、本発明の前記対物レンズ１２０の構成として、公知の対物レンズに該当する装置構成のうちレーザ加工に適する構成を採用してもよく、これにより前記対物レンズ１２０の詳細な構成に関する説明は省略する。

前記ダイクロイックミラー１３０（dichroic mirror）は、前記レーザ光源１１０と前記対物レンズ１２０との間の光路上に配置され、前記レーザ光源１１０で照射されるレーザビームの波長範囲の光を全反射し、それ以外の波長範囲の光を透過させる役割をする。一方、上述のように特定の波長範囲の光は全反射し、それ以外の波長範囲の光は透過させる機能をする光学部品としてビームスプリッタなどもある。すなわち、前記ダイクロイックミラー１３０の役割をする装置として、（明確にダイクロイックミラーではなくても）上述のような機能が可能なものであれば、他のいかなる光学部品を用いてもよい。

前記撮影部１４０は、前記ダイクロイックミラー１３０を透過した光を用いて前記ホイール５００の先端部５１０を撮影する役割をする。具体的に、このような機能をする部品として、ＣＣＤ（charge coupled device）カメラなどが広く用いられており、前記撮影部１４０は、ＣＣＤカメラなどからなってもよい。

前記ホイール移動部２００は、図３に示すように、ステージ２１０と、回転軸２２０と、ステップモータ２３０と、トランスレータ２４０（t ranslator）と、を含むことができる。

前記ステージ２１０は、言葉通り作業台であり、前記ホイール５００が載置されて切欠の製造工程が行われるようにする空間を形成する。前記ステージ２１０は、水平方向、すなわち、図２または図３においてＸＹ方向で表された方向に、移動自在に形成されることができる。

前記回転軸２２０は、前記ホイール５００の中心孔５３０に嵌合し、（以下でより詳細に説明するが）その両側先端にステップモータ２３０およびトランスレータ２４０が結合する。前記回転軸２２０が前記ホイール５００に嵌合した状態で前記回転軸２２０を水平移動、垂直移動、回転移動させることでレーザが照射される部位を調節することができ、これにより、レーザ加工によって前記ホイール５００の先端部５１０上の所望の部位に所望の大きさの切欠５２０を形成することができる。前記回転軸２２０を水平移動、垂直移動、回転移動させる装置が、後述するステップモータ２３０およびトランスレータ２４０である。それぞれについて詳細に説明すると、次のとおりである。

前記ステップモータ２３０は、前記ホイール５００の回転移動を担当する。すなわち、前記ステップモータ２３０は、前記ステージ２１０上に配置され、前記回転軸２２０の一側先端に設けられて前記回転軸２２０を回転させることで前記ホイール５００を回転移動させる機能をする。この際、前記ホイール移動部２００には、前記ステップモータ２３０の軸の歳差運動を含むノイズ動きの伝達を除去するように、前記ステップモータ２３０および前記回転軸２２０の連結部に設けられるカプラ２５０をさらに含むことが好ましい。また、前記ホイール移動部２００には、前記回転軸２２０の回転時の精度を保障し、また、前記回転軸２２０が安定して支持されるように、前記ステージ２１０上に配置され、前記回転軸２２０を貫通させつつ前記回転軸２２０を支持し、前記回転軸２２０が貫通し支持される部分に軸受２６５が設けられた少なくとも一つ以上のサポータ２６０をさらに含むことが好ましい。

前記トランスレータ２４０（translator）は、前記ホイール５００の水平（すなわち、図２、図３におけるＸＹ方向）移動または垂直（すなわち、図２、図３におけるＺ方向）移動を担当する。すなわち、前記トランスレータ２４０は、前記ステージ２１０と結合し、前記回転軸２２０の他側先端に設けられて前記ホイール５００を水平移動または垂直移動させる機能をする。前記トランスレータ２４０は、工程開始の前に前記ホイール５００を所望の位置に整列する際に用いられ、工程過程中にも位置を調整するために用いられることができる。特に、レーザ照射の際に形成される切欠５２０の深さを調節するために、前記ホイール５００の垂直方向の高さを調節するために用いられてもよい。このような精密操作のためには、前記ホイール移動部２００は、前記撮影部１４０によって撮影されたイメージ、または別に設けられた高さ測定センサ２７０によって測定された高さ値を用いて、前記ホイール５００を垂直移動させるように形成されることが好ましい。

この際、本発明は、特に、前記ホイール５００一つずつに対して前記切欠５２０の製造工程を行うことなく、複数個の前記ホイール５００に対して同時に前記切欠５２０を製造することが大きい特徴である。すなわち、前記微小切欠の製造装置１０００は、複数個の前記ホイール５００が同軸上に積層配列されてなる積層体に前記切欠５２０を形成するものである。複数個の前記ホイール５００を安定して固定するために、本発明では、ホイールカートリッジ３００構造を導入する。より詳細に説明すると、次のとおりである。

図４は本発明のホイールカートリッジの典型的な模式図である。前記ホイールカートリッジ３００は、複数個の前記ホイール５００が同軸上に積層配列されてなる積層体と、前記積層体の両側先端に設けられる一対の支持板３１０と、前記ホイール５００の間に充填される充填材３２０と、を含むことができる。前記ホイールカートリッジ３００には前記ホイール５００を一つだけ入れてもよく、数十個〜数百個入れてもよい。このように複数個の前記ホイール５００が積層されている状態で前記レーザ照射部１００を用いて同時に前記切欠５２０を形成することで、一つ一つのホイールに微小切欠を形成することに比べて生産性を著しく向上させることができる。

前記支持板３１０は、前記ホイール５００間の間隔が離れることなく積層体の形態をよく維持できればどのように形成されてもよく、材質もまたガラスなどのいかなるものであってもよい。ホイール５００とホイール５００との間には前記充填材３２０が充填されるが、前記充填材３２０は、前記ホイール５００に物理的および化学的損傷を与えない溶媒（水などであってもよい）に可溶な材料（高分子材料などであってもよい）であってもよい。前記充填材３２０は、ホイール５００とホイール５００との間およびホイール５００と支持板３１０との間の接着能力を向上し、超高速レーザを用いて切欠を製造する際にレーザ誘発プラム（plum）などによって発生しうる必要工程面以外のホイール表面の損傷を防止する役割をする。この際、前記ホイール５００の先端部５１０上には高分子材料などからなる前記充填材３２０の厚さが数十ナノメートル以下になるようにして、超高速レーザを用いて切欠を製造する際に前記充填材３２０の厚さが工程精度に影響を及ぼさないようにする。

このようにホイール５００の先端と先端との間を高分子のような充填材３２０で塗布または充填することで、レーザ工程の際に発生しうるホイール５００の先端部５１０以外の部分に対する部分的なアブレーションを防止することができる。あるいは、塗布の程度を変えることでアブレーションの程度を制御して、製造された微小切欠５２０の３次元的な構造を人為的に制御することもできる。

このような前記微小切欠の製造装置１０００を用いた微小切欠の製造方法について概略的に説明すると、次のとおりである。本発明の微小切欠の製造方法は、ホイール５００の先端部５１０に複数個の微小切欠５２０を製造する方法であって、前記ホイール５００の先端部５１０にレーザを照射して切欠５２０を形成するレーザ照射段階と、前記ホイール５００を所定の角度で回転させるホイール回転段階と、前記レーザ照射段階および前記ホイール回転段階を順に繰り返して行う段階と、を含む。

この際、前記レーザ照射段階は、前記レーザが前記ホイール５００の軸方向に相対移動しながら少なくとも１回以上照射される工程からなる。すなわち、前記レーザ照射部１００が前記ホイール５００の軸方向に直接移動してもよく、あるいは前記レーザ照射部１００は固定した状態で前記ホイール移動部２００を用いて前記ホイール５００を直接移動させてもよいなど、その実現はどのようになされてもよい。上述のように、複数個の前記ホイール５００が同軸上に積層配列されてなる積層体に前記切欠５２０を形成する場合（すなわち、ホイールカートリッジ３００を用いる場合）、前記レーザ照射部１００が前記ホイール５００の軸方向に長く往復しながら切欠５２０を形成してもよい。

すなわち、全体的な駆動をまとめて説明すると、次のとおりである。先ず、図２、図３に示すように、前記ホイール５００が水平面（すなわち、ＸＹ面）上に対して垂直になるとともに、前記ホイール５００の面方向が工程動作の駆動軸方向に対して垂直になるように配置する。この際、前記ホイール５００の軸方向がＸ軸またはＹ軸のいずれか一つと平行に配置されるようにすることが好ましい（前記ホイールカートリッジ３００を用いる場合にも同様である。）。このような整列配置作業は、手動で行われてもよく、または、前記撮影部（２４０）を介して取得したイメージを用いて自動で行われてもよい。

前記ホイール５００（または前記ホイールカートリッジ３００）を作業台、すなわち、ステージ２１０上に整列配置した後、前記対物レンズ１２０の高さを調節するか、または前記トランスレータ２４０を用いて前記ホイール５００の高さを調節することで、前記レーザ照射部１００で照射されるレーザビームの焦点を前記ホイール５００の先端部５１０に集中させる。このような焦点整列作業もまた、前記撮影部２４０を介して取得したイメージを用いて行われてもよく、あるいは、このような焦点整列作業は、上述のように、前記ホイール移動部２００に別に設けられた前記高さ測定センサ２７０を用いて測定された高さ値を用いて行われてもよい。

このように３次元（ＸＹＺ）空間上で前記ホイール５００（または前記ホイールカートリッジ３００）の整列配置作業が完了した後には、前記レーザ照射部１００で照射される超高速レーザが前記ホイール５００の先端部５１０に集束して照射されるようにして切欠５２０を製造する。この際、前記切欠５２０の幅、前記切欠５２０の深さ、レーザのエネルギー、レーザのパルス繰り返し数、レーザの相対移動速度、レーザの照射繰り返し回数が、前記ホイール５００に応じて決定されることができる。具体的な実施例は、次のとおりである。

特定の材質での超高速レーザパルス当たりアブレーションの深さｄおよび幅ｗは、レーザフルエンス（Ｆ、Ｊ／ｃｍ^２）に関して次のような関係式を有する。

ｄ＝ａ^−１×ｌｎ（Ｆ／Ｆ_０）
ｗ^２＝２×ｗ_０ ^２×ｌｎ（Ｆ／Ｆ_０）

ａは材料の用いられたレーザ波長での吸光係数であり、ａ^−１は光学的にレーザビームが材料のなかに浸透できる深さを意味する（参照：JOSK Vol. 7 2003, PP150-155, Transition of femtosecond laser ablation mechanism for sodalime glass caused by photoinduced defects）。この際、レーザエネルギーフルエンスは、材料に熱変形を誘発しない領域に該当し、Ｆ_０はアブレーションが起こる最小フルエンスであるアブレーション閾値フルエンス（ablation threshold fluence）である。また、ｗ_０は波長がｌであるレーザビームを所定の開口数（ＮＡ、Numerical Aperture）を有する対物レンズを介して集束する場合のビームサイズであり、２ｌ／ＮＡの関係式によって決定される。

一方、パルス繰り返し数が増加すると、パルスとパルスとの時定数（ｔ）が減少する。材料の熱拡散速度に対する時定数（ｔ）がパルス間の間隔（ｔ）に比べて長いということは、最初のパルスによって増加した熱エネルギーが完全に拡散する前に次のパルスによって結果的に熱エネルギーが継続して累積することを意味する。したがって、工程対象ホイールの先端部の単位面積当たり平均レーザパルスの数が増加すると、熱が継続して累積し、結果、温度が増加しレーザパルスが終了した部分で温度が急激に減少する（参照：韓国特許公開第２０１２‐００２２１６９号、「ウェーハ加工およびその装置」、２０１２．０３．１２、Jeoung Sae Chae、その他）。これによる対象材料の機械的ストレス増加とこれによる強度減少を解消するためには、レーザの平均照射パルスの数（Ｎ_ｐ）を最大１以下にしなければならない。一方、レーザの平均照射パルスの数（Ｎ_ｐ）は、与えられたレーザ繰り返し数ＰＲＲ（pulse repetition rate、Ｈｚ）、工程軸の移動速度ｖ（stage speed、ｍ／ｓｅｃ）、レーザビームサイズｗ_０に応じて決定される。

Ｎ_ｐ＝ＰＲＲ×ｗ_０／ｖ

前記実施例で用いられたレーザ繰り返し数ＰＲＲおよびビームサイズｗ_０がそれぞれ１００ｋＨｚおよび３μｍの場合、ステージの最小移動速度（stage speed）ｖを０．３ｍ／ｓｅｃにしたときに平均照射パルスの数は１になる。

一方、所定のレーザフルエンス（Laser Fluence）でパルス当たりアブレーションの深さが７５ｎｍである場合、計３０回の工程繰り返しを行うことで、１．５ミクロンの深さを有する切欠をホイールの先端部に形成することができる。

結果、以上の過程によりホイール５００の先端部５１０に一つの切欠５２０を製造することができる。このように切欠５２０が製造されると、前記ホイール５００を所定の角度で回転させた後、また以上の過程を繰り返す。このような過程により、最終的に、前記ホイール５００上に放射状に配置された複数個の微小切欠５２０を形成することができる。

一方、以上の過程の全体の所要時間について説明すると、次のとおりである。すなわち、ステージを動作するために必要な総所要時間は、ステージ停止状態からの等速度（ｖ）区間、すなわち、加工工程区間に進入するための加速区間、工程等速度区間、等速度区間から停止する時間、ステップモータを駆動してホイールカートリッジを回転する区間から算出されることができる。この際、主要工程の所要時間は、加速および減速区間であり、ホイール一つ当たり平均所要時間を最小化することは生産性向上において非常に重要である。一方、以上で検討したとおり、材質の強度を維持しながら高品質の切欠の製造を維持して生産性を極大化するためには、平均的に必要となる加速および減速区間を最小化する方法が最も好ましい。この際、本発明では、上述のようにホイールカートリッジ３００の構造を導入することで、ホイール５００一つ一つに対して切欠５２０を製造することなく、数百個までのホイール５００に同時に切欠５２０を製造することができ、これにより、このような生産性向上の効果を極大化することができる。

図５は本発明による、切欠の中心軸からの角度制御方法の原理を示している。本発明において、前記ホイール移動部２００は、前記レーザ照射部１００で照射されるレーザビームの光路の延長線と前記ホイール５００のレーザビームが照射される地点（以下、「照射地点」とする）での接線とが鋭角または直角をなすように前記ホイール５００を水平移動させるように形成される。図５を参照して詳細に説明する。

図５の（Ａ）は、レーザビームの光路の延長線と照射地点での接線とが垂直になるように形成される場合を示す図である。この場合、切欠５２０の製造角度は、照射地点での先端部５１０の接線方向に対して垂直になる。図５の（Ｂ）は、前記ホイール５００の軸とレーザビームの光路がずれるように前記ホイール５００を水平移動配置した場合を示す図である。この場合、レーザビームの光路の延長線と照射地点での接線とが鋭角（図５の（Ｂ）では、４５度程度）をなす。この場合、切欠５２０もまた４５度程度に傾斜した（tilting）形態に形成される。図５の（Ｃ）は、図５の（Ｂ）の場合と比較して、前記ホイール５００の軸とレーザビームの光路がよりずれるように前記ホイール５００を配置したものを示す図である。この場合、レーザビームの光路の延長線と照射地点での接線とがほぼ０度をなす。このように、レーザビームの光路の延長線に対して前記ホイール５００の水平位置を適宜調節することで、所望の角度および形態の切欠５２０を自在に製造することができる。

本発明は、上述の実施例に限定されず、適用範囲が多様であることは言うまでもなく、請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱することなく当該本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば誰でも様々な変形実施が可能であることは言うまでもない。

本発明によれば、従来に比べて生産性が著しく向上し、工程環境に対する制限がなく、工程をはるかに容易且つ経済的に実現することができる。

１０００ （本発明の）微小切欠の製造装置
１００ レーザ照射部
１１０ レーザ光源
１２０ 対物レンズ
１３０ ダイクロイックミラー
１４０ 撮影部
２００ ホイール移動部
２１０ ステージ
２２０ 回転軸
２３０ ステップモータ
２４０ トランスレータ
２５０ カプラ
２６０ サポータ
２６５ 軸受
２７０ 高さ測定センサ
３００ ホイールカートリッジ
３１０ 支持板
３２０ 充填材
５００ ホイール
５１０ 先端部
５２０ 切欠
５３０ 中心孔

Claims (16)

1. ホイール（５００）の先端部（５１０）に複数個の微小切欠（５２０）を製造する装置（１０００）であって、
   超高速レーザを照射するレーザ照射部（１００）と、
   前記レーザ照射部（１００）で照射されるレーザビームの光路上に前記ホイール（５００）の先端部（５１０）が配置されるように、前記ホイール（５００）を水平移動、垂直移動または回転移動させるホイール移動部（２００）と、を含み、
   前記レーザ照射部（１００）で照射されるレーザビームによって前記ホイール（５００）の先端部（５１０）に前記微小切欠（５２０）が形成されることを特徴とする、超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
2. 前記レーザ照射部（１００）は、
   レーザ光源（１１０）と、
   前記レーザ光源（１１０）で照射されるレーザビームを前記ホイール（５００）の先端部（５１０）に集束させる対物レンズ（１２０）と、
   前記レーザ光源（１１０）と前記対物レンズ（１２０）との間の光路上に配置され、前記レーザ光源（１１０）で照射されるレーザビームの波長範囲の光を全反射し、それ以外の波長範囲の光を透過させるダイクロイックミラー（１３０）と、
   前記ダイクロイックミラー（１３０）を透過した光を用いて前記ホイール（５００）の先端部（５１０）を撮影する撮影部（１４０）と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
3. 前記レーザ照射部（１００）は、フェムト秒またはピコ秒のパルス幅を有するレーザ光を照射することを特徴とする、請求項１に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
4. 前記ホイール移動部（２００）は、
   ステージ（２１０）と、
   前記ホイール（５００）の中心孔（５３０）に嵌合する回転軸（２２０）と、
   前記ステージ（２１０）上に配置され、前記回転軸（２２０）の一側先端に設けられて前記回転軸（２２０）を回転させることで前記ホイール（５００）を回転移動させるステップモータ（２３０）と、
   前記ステージ（２１０）と結合し、前記回転軸（２２０）の他側先端に設けられて前記ホイール（５００）を水平移動または垂直移動させるトランスレータ（２４０）と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
5. 前記ホイール移動部（２００）は、
   前記ステップモータ（２３０）および前記回転軸（２２０）の連結部に設けられ、前記ステップモータ（２３０）の軸の歳差運動を含むノイズ動きの伝達を除去するカプラ（２５０）をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
6. 前記ホイール移動部（２００）は、
   前記ステージ（２１０）上に配置され、前記回転軸（２２０）を貫通させつつ前記回転軸（２２０）を支持し、前記回転軸（２２０）が貫通し支持される部分に軸受（２６５）が設けられた少なくとも一つ以上のサポータ（２６０）をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
7. 前記ホイール移動部（２００）は、前記レーザ照射部（１００）で照射されるレーザビームの光路の延長線と前記ホイール（５００）のレーザビームが照射される地点での接線とが鋭角または直角をなすように、前記ホイール（５００）を水平移動させることを特徴とする、請求項４に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
8. 前記ホイール移動部（２００）は、前記撮影部（１４０）によって撮影されたイメージまたは別に設けられた高さ測定センサ（２７０）によって測定された高さ値を用いて、前記ホイール（５００）を垂直移動させることを特徴とする、請求項２に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
9. 複数個の前記ホイール（５００）が同軸上に積層配列されてなる積層体に複数個の前記微小切欠（５２０）を形成することを特徴とする、請求項１に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
10. 複数個の前記ホイール（５００）が同軸上に積層配列されてなる積層体と、前記積層体の両側先端に設けられる一対の支持板（３１０）と、前記ホイール（５００）の間に充填される充填材（３２０）と、を含むホイールカートリッジ（３００）をさらに含み、
    前記ホイールカートリッジ（３００）に複数個の前記微小切欠（５２０）を形成することを特徴とする、請求項９に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
11. 前記充填材（３２０）は、前記ホイール（５００）に物理的および化学的損傷を与えない溶媒に可溶な材料であることを特徴とする、請求項１０に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造装置。
12. ホイール（５００）の先端部（５１０）に複数個の微小切欠５２０を製造する方法であって、
    前記ホイール（５００）の先端部（５１０）にレーザを照射して複数個の微小切欠（５２０）を形成するレーザ照射段階と、
    前記ホイール（５００）を所定の角度回転させるホイール回転段階と、
    前記レーザ照射段階および前記ホイール回転段階を順に繰り返して行う段階と、を含むことを特徴とする、超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造方法。
13. 前記レーザは、フェムト秒またはピコ秒のパルス幅を有することを特徴とする、請求項１２に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造方法。
14. 前記レーザ照射段階は、前記レーザが前記ホイール（５００）の軸方向に相対移動しながら少なくとも１回以上照射される工程からなることを特徴とする、請求項１２に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造方法。
15. 前記微小切欠（５２０）の幅、前記微小切欠（５２０）の深さ、レーザのエネルギー、レーザのパルス繰り返し数、レーザの相対移動速度、レーザの照射繰り返し回数が、前記ホイール（５００）に応じて決定されることを特徴とする、請求項１４に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造方法。
16. 複数個の前記ホイール（５００）が同軸上に積層配列されてなる積層体に複数個の前記微小切欠（５２０）を形成することを特徴とする、請求項１２に記載の超高速レーザを用いたホイールの先端部の微小切欠の製造方法。

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